乌蒙山区采动型崩塌灾害机理研究: 以头屯崩塌为例

刘楷朋; 史文兵; 李黔辉; 姚忠劭; 胡洪森

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502730

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (10) :4078-4087 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502730

天文学、地球科学

乌蒙山区采动型崩塌灾害机理研究: 以头屯崩塌为例

刘楷朋 ¹^,² ,
史文兵 ¹^,³^,^* ,
李黔辉 ¹^,² ,
姚忠劭 ¹ ,
胡洪森 ⁴

作者信息 +

Formation Mechanisms of Mining-induced Collapse Disasters in Wumeng Mountain Area: Toutun Collapse

LIU Kai-peng ¹^,² ,
SHI Wen-bing ¹^,³^,^* ,
LI Qian-hui ¹^,² ,
YAO Zhong-shao ¹ ,
HU Hong-sen ⁴

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摘要

乌蒙山区地质条件复杂,典型靴状二元坡体结构发育(上硬下软、上陡下缓),叠加高强度地下采动与季节性冻融-降雨耦合作用,导致乌蒙山区冬季崩滑灾害呈现高频次和高灾害效应特征。以镇雄县头屯采动型崩塌为例,基于野外调查和机载LiDAR(机载光探测与测距)等方法分析采动斜坡地质结构特征,结合离散元数值模拟(PFC^2D)反演斜坡变形破坏过程,并引入改进切线角理论提出预警阈值,最后探讨并提出冬季采动灾害失稳机理新思路。结果表明:头屯崩塌破坏模式为开采扰动-顶板塌陷-后缘拉裂-剪断四阶段演化机制:煤层开采引发应力重分布,导致顶板塌陷;坡体上部向临空方向挤出的趋势导致后缘竖向拉裂缝出现并扩展;崩塌后壁岩体被裂隙网络切割破碎并沿软层缓慢向外挤出,最终朝陡倾临空面崩塌。采动斜坡预警阈值应设定于匀速变形阶段(切线角25.42°),较传统临滑判据显著提前。引入“热梯度效应”和“锅盖效应”理论,从三方面探讨提出该区域冬季采动山体失稳机理。研究结果对于乌蒙山区冬季采动斜坡失稳预警及机理研究具有一定的参考意义。

Abstract

The Wumeng Mountain area exhibits complex geological conditions, where the development of Wumeng Mountain area exhibits complex geological conditions characterized by widespread boot-shaped dual-structure slopes (hard upper layer/soft lower layer, steep upper section/gentle lower section). Intensive underground coal mining superimposed with seasonal freeze-thaw-rainfall interactions triggers high-frequency and high-impact landslides and rockfalls during winter seasons. Taking the mining-induced collapse at Toutun in Zhenxiong County as a case study, geological structural features of the mining-disturbed slope were analyzed through field investigations and airborne LiDAR (light detection and ranging) technology. Deformation and failure processes were reconstructed using the discrete element numerical simulation method (particle flow code in 2 dimensions, PFC^2D), and an early warning threshold was proposed based on an improved tangent angle theory. The results show as follows. The Toutun collapse follows a four-stage chain mechanism: mining disturbance-roof collapse-rear tensile cracking-shearing failure. Coal extraction triggers stress redistribution, causing roof collapse. extrusion of the upper slope toward free faces initiates vertical tensile cracks at the rear. fracture networks progressively fragment the rear scarp rock mass, which extrudes along weak layers before collapsing toward steep free surfaces. The early warning threshold for mining slopes should be set at the uniform deformation stage (tangent angle 25.42°), significantly earlier than traditional critical failure criteria (45°). A novel instability mechanism is established by integrating the “thermal gradient effect” and “lid effect” theories, revealing three pathways for winter slope failure in mining areas. This research provides a quantifiable theoretical framework for early warning systems and mechanistic studies of mining-induced slope instability in seasonal freezing regions.

Graphical abstract

关键词

冬季灾害 / 采矿活动 / PFC^2D / 失稳机理 / 预警阈值

Key words

winter disasters / mining activities / PFC^2D / failure mechanism / early warning threshold

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刘楷朋, 史文兵, 李黔辉, 姚忠劭, 胡洪森. 乌蒙山区采动型崩塌灾害机理研究: 以头屯崩塌为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(10): 4078-4087 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502730

LIU Kai-peng, SHI Wen-bing, LI Qian-hui, YAO Zhong-shao, HU Hong-sen. Formation Mechanisms of Mining-induced Collapse Disasters in Wumeng Mountain Area: Toutun Collapse[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(10): 4078-4087 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502730

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中国依托多元化能源结构与矿产资源禀赋,成为全球能源体系的核心枢纽之一。伴随“一带一路”倡议与西部大开发战略的推进,西南地区矿产开采活动日益增加^[1]。在地质历史方面,该区域受控于特殊构造背景,广泛发育二叠系、三叠系巨厚灰岩地层,含有多层软弱夹层,经构造和河谷深切作用形成陡倾节理、卸荷裂隙及溶蚀网络,最终形成上硬下软、上陡下缓的“靴状”复合坡体结构^[2]。在气候条件方面,云贵准静止锋气候使该区域每年11月至次年4月持续少雨凝冻^[3],复杂地质条件与周期性寒潮共同作用下,叠加高强度地下采矿活动,导致崩滑灾害呈高频群发特征,使乌蒙山区成为全国地质灾害高易发区^[4]。

近年来,该区域相继发生镇雄“1.11”赵家沟滑坡^[5]、纳雍普洒崩塌^[6]、水城米勺崩塌^[7]和镇雄“1.22”凉水村滑坡^[8]等典型矿区内灾害事件。此类灾害具有显著共性:地形高差普遍达150~300 m,上硬下软复合岩体结构发育,斜坡类型多为缓倾内斜坡,且下部或周边均存在地下开采活动,灾变过程突发性强、破坏力大^[9]。所研究的头屯崩塌其典型性体现为:上覆岩体为泥质粉砂岩和灰岩,下伏煤系地层构成软弱基底,并发育上陡下缓的复合地质结构,且下部存在采煤活动,灾变时段受准静止锋影响呈现出少雨低温。徐永强等^[10]基于遥感解译与经验公式,定性分析了头屯崩塌堆积体空间分布特征、滑动速度及成因机制,明确采空区垮落与沉陷牵引为主要致灾因素,但受限于实时监测数据,其研究对采动应力场动态演化的定量表征仍存在不足。理论层面,“应力集中-压力拱-悬臂梁-坍塌”理论^[11]完整揭示了采空区顶板从弹性压缩阶段至塑性破坏阶段的力学演化路径,尤其明确了应力集中区向临空面迁移的临界判据;“三带型”覆岩移动理论^[12] 则从空间维度阐释了垮落带、裂隙带和弯曲带在煤层开采过程中协同破坏的力学传递规律,为采空诱发的地表变形演化过程提供了力学基础。研究者通过底摩擦试验分析采动诱发的纳雍普洒崩塌的变形破坏过程,并运用数字摄影测量变形监测(digital photogrammetric deformation measurement,DPDM)技术进行变形位移监测,揭示其破坏机制为采空-拉裂-蠕滑-剪断^[6],为类似灾害预警指明了方向;Shen等^[7]采用三维数值模拟方法再现了水城勺米崩塌的长期渐进破坏特征,并通过合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)动态变形监测数据验证了其“初始变形-加速发展-整体失稳”的演化阶段;针对武隆鸡尾山滑坡的数值模拟研究表明,地下采矿活动显著改变了层状岩体应力分布状态,其引发的差异性沉降是导致坡体失稳破坏的核心诱因^[13];基于通用离散元程序(universal distinct element code,UDEC)离散元模拟的发耳尖山营滑坡研究,进一步揭示了缓倾软硬互层坡体在采动影响下“拉剪断裂-剪切滑移-后仰倾倒”多阶段破坏机制转化特征^[14],深化了对复合结构斜坡灾变过程的理解。上述研究从理论模型、物理试验、数值模拟等多维度揭示了采动斜坡变形破坏机理;经典理论模型支撑了覆岩移动力学机制的解析,物理试验验证了破坏阶段转化的时空特征,数值模拟技术重构了应力场动态演化路径,为揭示头屯崩塌灾变过程提供了多尺度研究范式。

因此,现以乌蒙山区头屯崩塌为研究对象,融合地质调查与LiDAR技术,通过PFC^2D反演分析采动斜坡渐进变形破坏过程,探究应力应变演化与多阶段破坏特征,引入改进切线角理论提出匀速变形阶段预警阈值:切线角25.42°,并从三方面探讨提出冻融-采矿耦合致灾机理,为西南矿区冬季斜坡失稳防控提供可量化的理论数据和基于机理的决策依据。

1 地质概况

头屯崩塌(图1)地处云南省昭通市镇雄县中屯镇头屯村水塘北侧,地理坐标为104°51'59″E, 27°19'06″N,距镇雄县城直线距离14 km。2013年1月28日凌晨04:00,平顶山山体突发大规模失稳,失稳岩体体积约9.36×10⁵ m³,沿东南349°方向发生大规模崩塌。本次灾害导致1 395栋民居建筑出现结构性开裂、72栋房屋完全坍塌、1所基础教育设施严重损毁,直接经济损失达9 530万元,对当地居民生计及基础设施造成深远影响。

1.1 地质环境条件

研究区属滇东北高原乌蒙山北段中等切割中山地貌类型。在地形上,最高点为平顶山顶,高程1 937 m,最低点位于北部河谷,高程1 388 m,相对高差达550 m。坡体整体呈典型上陡下缓“靴状”地形特征,后缘山顶至崩塌堆积体前缘高差达350 m,平均坡度58°~64°。在气候上,研究区属亚热带高原季风气候,据收集到的镇雄县气象资料表明:雨季集中于6—10月,占年降雨量80.2%;年均降雨量932.4 mm,日最大降雨量153.4 mm,崩塌发生前后两个月降雨量分布如图2(a)所示。在地层上,崩塌区出露地层自上而下依次为三叠系下统飞仙关组(T₁f)和卡以头组(T₁k)、二叠系上统长兴大隆组(P₃c+d)及龙潭组(P₃l)。坡体顶部为崩塌源区,岩性以紫红色泥质粉砂岩、泥岩、粉砂岩为主;中部为滑移剪切区,地层属长兴大隆组(P₃c+d),岩性以灰岩、钙质泥岩及砂岩为主;底部为龙潭组(P₃l),岩性组合为细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩及煤层。岩层产状为113°~135°∠9°~15°,属典型上硬下软、上陡下缓型缓倾内斜坡,如图1(b)和图1(c)所示。

1.2 采矿活动

通过地质资料收集与现场调查,平顶山煤矿自2005年起对该区域实施井巷开拓工程。矿区可采煤层赋存于原始坡体下伏三叠系龙潭组地层,自上而下煤层编号分别为C5a、C5b、C5c、C6a、C6b、C6c、C7、C8、C9、C10,其中C5b与C6a为可采煤层,其余为不可采层。C5b煤层厚度1.42~3.03 m,均值1.87 m,倾角6°~10°,属稳定型全区可采煤层;C6a煤层厚度0.42~1.92 m,均值1.31 m,倾角6°~10°,属较稳定型局部可采煤层。为简化模型,仅考虑C5b与C6a可采层,其余不可采层予以概化,如图2(b)所示。据煤矿开采记录,崩塌发生前已完成C6a煤层开采,水平延伸约120 m,采用由外向内逐段后退式回采工艺,C5b煤层尚未开采。

1.3 崩塌特征

基于现场调查与机载LiDAR技术共同解译识别,崩塌形态及堆积物特征可系统划分为源区、刮铲区与堆积区3个组成部分(图3)。源区位于南侧山体,顶部与坡脚地面高差约350 m,地形呈现典型上陡下缓二元结构特征,体现在后壁坡度43°~51°,堆积区坡度10°~15°。滑体物质以强风化碎裂砂岩为主,泥质砂岩风化破碎程度显著,裂隙网络呈网状高度密集发育;高位岩体崩落对斜坡下部形成动力冲击,导致堆积体周缘发育放射状张裂缝,东侧受挤压形成带状隆起构造。刮铲区基岩表面发育连续镜面状磨光面及线状擦痕,平均坡度约60°,滑体体积因剪切刮铲作用呈阶梯式累积性增大。主堆积区岩块无序分布,前缘呈圆弧形边界,含棱角状砂岩-灰岩块体,粒径1~2 m,坡表发育近东西向张裂缝,宽度8~12 cm,延伸长度15~20 m。次堆积区受前缘陡壁地形切割及重力分选作用显著控制,岩块粒径呈现空间分异性:远源区粒径0.1~1 m,磨圆度中等;近源区粒径0.05~0.1 m,呈棱角状。裂缝L1发育于后缘右侧陡壁,形态平直,水平延展长度5~10 m,宽度0.2~1 m,可见深度0.4~1 m,底部充填棱角状碎屑与黏土混合物,朝正北方向下错位移量0.2~1.2 m;裂缝L2发育于后缘正后侧,延展长度5~10 m,宽度0.1~0.3 m,可见深度0.1~0.2 m,充填物组成与L1一致。

2 灾害成因分析

灾害成因分析是揭示灾害发育机制与动态演化规律的核心环节,通过系统分析地质体内部结构特征、外部动力条件及多场耦合作用过程,明确主导致灾因子^[15]。主要从地形地貌、地层岩性、采矿活动和降雨四方面分析该灾害成因。

崩塌体从上至下出露岩性分别为泥质粉砂岩、灰岩和泥岩,崩塌后壁坡度为43°~51°,下部堆积区坡度为10°~15°,属于典型的上硬下软、上陡下缓的缓倾内体坡,该种坡体极易灾变,如普洒崩塌和马达岭崩塌等。研究区地处三面环山的盆地区内,该崩塌便是发生在盆地北侧的山体之上,为单面临空陡壁,受制于差异风化作用,崩塌后壁地形上陡下缓,后缘顶部与堆积体前缘高差达350 m以上,为崩塌的发生提供了空间条件,上部较陡的地形易导致岩土体失稳,中下部较缓的地形为滑体物质提供了滑动和堆积条件。崩塌山体下部含有煤系地层,2006—2012年平顶山煤矿开采水塘村后山斜坡下部C5煤层,形成与坡体走向一致的4个采空区,采空区高程1 530~1 580 m,采用全部垮落法管理顶板。水塘村后山(头屯崩塌左侧50~500 m范围内)于2007年5月开始出现地裂缝及小规模崩塌灾害,经资质单位鉴定后认为平顶山煤矿现有开采系统是加速该区地表移动的主要因素。头屯崩塌发生时间为1月28日,为干冷少雨季节,通过收集统计了镇雄县中屯镇2013年1月1日—2月28日的逐日降水量数据[图2(a)],数据显示发生崩塌前连续28 d的单日最大降水量为1.9 mm,累积降水量为6.0 mm,崩塌发生前10 d内未降水。综上,因此认为该崩塌主要为不利坡体结构叠加开采作用触发,降水并非其灾变的主要诱发因子。

3 数值模拟模型构建与结果分析

3.1 模型构建

采用离散元软件PFC^2D 7.0构建1∶1数值仿真模型。该软件通过颗粒流算法可有效模拟崩塌破坏、运动全过程,是研究非线性动力学行为的有效工具^[16]。基于工程地质剖面图[图1(b)],模型岩性结构自上而下依次划分为:泥质粉砂岩层、灰岩层、泥岩层,其中泥岩层内赋存两层可采煤层。模型几何尺寸底长820.00 m,左侧高364.75 m,右侧高116.35 m。沿坡表自山顶至坡脚线性布设M1~M6监测点,坡体内部对应高程布设M7~M12监测点[图2(b)],监测指标包括裂隙动态扩展、接触力演化及位移响应。

基于头屯崩塌岩土体物理力学试验数据及区域内同类型岩土体的物理力学参数指标,采用工程类比法与经验分析法综合取值。通过PFC^2D双轴压缩试验进行参数标定,建立岩土体宏细观物理力学参数的定量对应关系,如表1所示。

3.2 裂隙演化过程分析

PFC^2D模拟反演所得裂隙演化全过程如图4所示。自然山体初始状态对应时间步0;随煤层开采进程,斜坡关键变形破坏节点对应的时间步依次为1.2×10⁵(顶板初始破裂)、1.5×10⁵(后缘拉裂萌生)、3.1×10⁵(裂缝扩展至坡表)、5.3×10⁵(裂隙网络贯通)及 7.6×10⁵(整体失稳)。根据软件内置换算算法,1个时间步等价于实际时间7.5×10^-2 s,故上述时间步分别对应实际时间 2.5、3.13、6.46、11.04、15.83 h。

从图4可知,当时间步为0时,未进行开采,为自然山体,未发生形变;当时间步为1.2×10⁵时,随着煤层开采,采空区煤层顶板塌陷,在监测点M6靠近地表的位置,覆盖层较薄且没有坚硬岩层支撑的上覆泥岩层由于应力突然地集中,首先出现裂缝;时间步为1.5×10⁵时,崩塌后缘坡体内部出现一条竖向裂缝,这是由于坡体前部向采空区 “下挫”,导致上部坡体产生向临空方向挤出的趋势,随之出现地表覆岩移动,在后缘形成一条竖向拉裂缝,经过现场调查,于崩塌后缘发现裂缝L2与其对应[图2(a)];时间步为3.1×10⁵时,裂缝沿着采空区向上呈弧形扩展,并有部分裂缝延伸到坡体表面形成横向裂缝,后缘竖向裂缝也正向下逐渐扩展;时间步为5.3×10⁵时,随着挤出增加,后缘竖向裂缝扩展与采空区贯通,坡表横向裂缝增多,竖向裂缝正开始出现,经过现场调查,于崩塌后缘发现裂缝L1与其对应[图2(a)];当时间步超过7.6×10⁵时,坡体向外挤出达到极限并被裂隙网络切割破碎,受重力作用发生大规模垮塌后整体失稳破坏,崩塌体在运动过程中被分解为破碎的岩土体,能量不断被崩塌体内部的块石相互碰撞和摩擦消耗,导致滑体逐渐减速堆积,于坡脚附近堆积。

3.3 接触力、位移和改进切线角分析

图5记录了各监测点接触力与位移随崩塌演化的时空响应规律。X、Y方向接触力突变与X、Y方向位移分阶段变化可划分为4个阶段灾变过程。

(1)阶段Ⅰ,临界状态:0~1.2×10⁵时,煤层开采引发应力集中,近煤层(M11~M12)及地表覆盖层(M5~M6)因应力集中率先响应,接触力突增达峰值,而远场点(M1,M7)及灰岩层(M10)无显著变化,此时监测点位移无明显变化。

(2)阶段Ⅱ,初始变形阶段:1.2×10⁵~3.1×10⁵时,后缘竖向拉裂导致中段监测点(M4~M9)位移跃升,坡表位移呈台阶式增长。

(3)阶段Ⅲ,加速变形阶段:3.1×10⁵~5.3×10⁵时,后缘裂缝贯通,裂隙扩展至坡表,坡表监测点(M1~M6)位移加速,深部锁固区(M7~M12)因岩体互锁效应反而趋于稳定,该时段变形加速。

(4)阶段Ⅳ,破坏阶段: 5.3×10⁵~7.6×10⁵时,后壁被裂隙网络切割破碎并向前挤出,坡表破碎块体受重力驱动崩塌。当时间步超过7.6×10⁵,坡体进入完全破坏阶段,接触力和位移速率均发生突变,此时X、Y方向位移峰值25.7 m。

基于位移-时步曲线获取X、Y方向位移数据后,引入改进切线角理论^[17],通过消除量纲差异得到T-t曲线,如图6(a)和图6(b)所示。继而提出头屯崩塌灾害预警阈值。图6(c)为典型滑坡位移T-t曲线,同理,该坡体变形结果可划分为4阶段演化特征:临界状态、初始变形(切线角先增后减)、匀速变形(X、Y向均值25.42°)、加速变形(均值57.56°)。当超过两向临滑切线角均值73.98°阈值时,坡体进入完全破坏阶段。对比典型滑坡T-t曲线分析发现:典型滑坡匀速变形阶段切线角为45°,临滑角达88°。造成这种差异的原因可归结于坡体结构特征与致灾因子的差异性。典型降雨型土质滑坡通常表现为渐进式蠕滑破坏,其变形演化具有较长的时间累积周期,临滑切线角能达到88°,位移时序曲线呈规律性三阶段特征;而采动型岩质崩滑因受制于地下采矿活动扰动,灾变过程与采动时间具有一定的相关性,其破坏模式表现为锁固段突破后的突发性失稳,能量累积至释放周期短,时间效应极短,导致各演化阶段的切线角参数较典型滑坡显著降低且提前出现。因此,采动斜坡预警需提前至匀速变形阶段切线角为25.42°启动,可使应急响应窗口延长。

因受历史条件限制,2013年事发区域未布设专业监测设备(如GNSS、裂缝计等),且无可用InSAR卫星数据(Sentinel-1等卫星数据在该时段该区域无有效覆盖),故本研究数值模拟结果暂缺同期实测位移数据验证。但模拟揭示的“匀速变形→加速破坏”阶段转化特征[图6(a)和图6(b)]与区域内同类采动型崩塌的观测规律基本一致^[2,6]。在后续中可通过在监测数据完善的乌蒙山区采动区域进行相同方法研究从而完善该预警指标,为乌蒙山区采动斜坡建立新的预警体系,以达到减灾防灾作用。

3.4 破坏过程分析

综上,通过坡体裂隙演化过程、位移和改进切线角变化分析,可将该崩塌破坏过程划分为4个阶段,如图7所示。

(1)阶段Ⅰ,开采扰动阶段:按照开采计划,当煤层逐渐开采扰动,坡体已接近临界状态,此时位移和接触力均处于水平状态。

(2)阶段Ⅱ,顶板塌陷阶段:当煤层逐渐开采到临界值时,泥岩层巷道顶板由于应力集中,产生顶板塌陷,表现为前缘坡体“下挫”,整个坡体前部产生向临空方向挤出的趋势导致地表覆岩移动,随之在坡体后缘产生竖向拉裂缝,坡体发生轻微变形[图7(b)],此时位移处于初始变形阶段,切线角表现为先增大后减小。

(3)阶段Ⅲ:后缘拉裂阶段;随着挤出增加,后缘竖向拉裂缝逐渐向采空区快速扩展,直至完全贯通,崩塌后壁产生众多横竖向裂缝,部分脱离体已产生掉块,坡体已发生较大的变形[图7(c)],此时位移处于加速变形阶段,切线角呈现缓慢增加的趋势。

(4)阶段Ⅳ,剪断:坡体向外挤出达到极限,众多节理和裂隙交叉形成的裂隙网络将坡表切割成众多破碎块体,块体之间联结力大幅降低,最后,在自重作用下,上部被挤出破碎岩体沿软层剪出,发生崩塌,堆积于坡脚处[图7(d)],此时位移处于加速破坏阶段,切线角缓慢增加直至到达临滑切线角,最终完全破坏。

4 乌蒙山区矿区冬季崩滑灾害机理

镇雄“1.28”头屯崩塌作为乌蒙山区典型冬季崩塌之一,虽灾变时段气象条件为少雨低温,但其触发机制主要为采动诱发,属于常规采动灾害范畴内。近年来,该区域又相继发生了多起灾难性冬季非常规崩滑灾害,虽位于矿区内却无采动关联证据,且灾变时段气候呈现少雨凝冻特征,传统采动致灾与降雨诱发理论难以合理解释。此类灾害共性显著:均受云贵高原准静止锋气候影响^[3],具相似地质背景,灾变时地表极低气温且下部或周围存在煤矿采空区。故进一步对比分析乌蒙山区非常规冬季崩滑灾害,从三方面探讨其冬季失稳机理,为该种相似灾害机理研究提供一种新思路。

传统理论认为,冬季崩滑由冰雪融水入渗关键层、软化软弱带引发剪切破坏,或者由于降雨滞后效应,最终累积作用达到极限,突破关键块体从而灾变^[18]。而乌蒙山区特殊致灾地形一般为“靴状”二元坡体结构,上部为陡立灰岩或砂岩,下部为泥岩或煤系地层,为雨水渗透提供了天然通道。长期冻融作用使雪水持续入渗弱透水层,增加孔隙水压力并降低泥岩夹层的抗剪强度。这一过程在2024年凉水村滑坡^[19]中得到印证:冰雪融水渗入三叠系飞仙关组砂页岩地层后,岩体抗剪强度下降超50%,破坏模式由脆性转为类土体塑性破坏。

西南地区含煤地层区灾害,地下煤矿开采活动一直是不可回避的因素。通过气象平台(http://www.meteomanz.com),获取近年来灾难性崩滑灾害的室外平均气温为4.22 ℃;根据文献[20 -22]得到采煤巷道平均温度为23.7 ℃(图8),两者温度差异将形成显著热梯度,促使采矿裂隙中产生冷热空气上下对流^[23]。采动山体内残余裂隙成为井下巷道暖气流与地表冷空气冷热交换的通道。这种长期热力作用加速了软弱层劣化,在“上硬下软”地层结构中尤为显著。

第三种机理为冻封作用引发的“锅盖效应”^[24]。在第二种机理中冷热交汇形成的凝结水由于外部低温快速冻结形成冰晶体,封堵弱透水层。后续地表融水在弱透水层上部聚集形成高静水压力,推挤滑体并持续弱化深层结构面。该现象在乌蒙山区上覆透水灰岩、下伏隔水泥岩,且地下存在开采扰动作用时更为加剧。

上述分析表明,含煤地层区冬季崩滑灾害除了从降雨的“滞后响应”考虑之外,受低温凝冻环境影响的特殊失稳模式也是一个独特的解释。云贵准静止锋天气(11月—次年4月)与采矿热异常的叠加,构成了传统降雨模型未能涵盖的高风险区域。所以在云贵高原的准静止锋影响区,除了常规的降雨预警之外,建议预警系统重点监测采动山体内水力场、温度场和裂隙场的耦合过程。具体可采用分布式光纤监测技术捕捉山体内热-水-力耦合过程的渐进性信号,为冬季非常规崩滑灾害提供预警信息,以到达减灾防灾的重要作用。

5 结论

以镇雄县头屯采动型崩塌为例,融合野外调查、无人机测绘和数值模拟等方法分析灾变演化全过程,引入改进切线角理论提出采动斜坡的预警阈值,并探讨提出乌蒙山区含煤地层冬季崩滑灾害冻融-采矿耦合致灾机理,得到以下结论。

(1)头屯崩塌具典型“上硬下软、上陡下缓”靴状层状坡体结构,其四阶段成灾机制为“开采扰动-顶板塌陷-后缘拉裂-剪断失稳”。

(2)通过引入改进切线角理论分析,传统降雨型滑坡临滑判据(切线角45°)在采动场景下不再适用,这主要是由于采动灾害内在机理控制,提出采动斜坡预警阈值应提前至匀速变形阶段(切线角25.42°) 可使应急响应窗口延长。

(3)含煤地层区在准静止锋影响下,其崩滑灾害存在不同于降雨诱发的斜坡失稳机制,从其他领域引入“热梯度效应”和“锅盖效应”两种理论为冬季矿区崩滑灾害研究提供新思路。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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